第九章 电力变压器的继电保护

第九章电力变压器的继电保护第一节电力变压器的故障类型、不正常运行状态及相应的保护方式第二节变压器的纵差保护第三节变压器的瓦斯保护第四节发电机、变压器的后备保护第五节大型发电机—变压器组继电保护的总体配置第一节电力变压器的故障类型、不正常运行状态及相应的保护方式一.故障类型：1.变压器的内部故障及相应的保护方式：绕阻的相间短路油箱内接地短路差动、重瓦斯保护匝间短路铁芯的烧损油箱外：套管、引出线各种原理的纵差保护相间短路电流速断保护接地由于漏油等原因引起的油面降低——轻瓦斯保护2.变压器的不正常运行状态：由于变压器外部相间短路引起的过电流；外部接地短路引起的过电流和中性点过电压对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁芯的饱和磁通密度，因此在过电压或低频等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障由于负荷长时间超过额定容量引起的过负荷变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障（装设可作用于信号或动作于跳闸的装置）第二节变压器纵差保护变压器内部的电气故障形式主要有：各侧绕组的匝间短路、中性点直接接地侧绕组的单相短路、内部引线和套管故障、各侧绕组相间短路等。据统计，变压器保护正确动作率远低于发电机保护和220～500kV线路保护。一、变压器纵差保护的基本原理和接线方式变压器纵差保护的基本原理和接线方式流入差动继电器KA的差动电流为纵差保护的动作判据为式（9-1）可进一步表示为变形为（9-3）若选择电流互感器的变比，使之满足（9-4）这样式（9-3）变为（9-5）忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为根据式（9-5），正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作；变压器内部（包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换到电流互感器二次侧），只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。因此，式（9-4）成为变压器纵差保护中电流互感器变比选择的依据。二、变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。但是变压器纵差保护在以下方面显著不同于发电机纵差保护：（1）变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。（2）变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应的加大。（3）对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁心磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用。（4）无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器还可依靠瓦斯保护或压力保护。（5）变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包括变压器的铁心，即变压器纵差保护区内不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础—基尔霍夫电流定律。对于仅包括电路的纵差保护对象（如发电机、电动机、母线、电抗器等）本身没有故障时，不管外部发生什么扰动，恒有诸端子电路的相量和为零，(9-6)式中—被保护对象第i个端子电流相量，如图８-1所示。因此发电机纵差保护在正常运行或区外短路时，由式(9-6)，差动回路不平衡电流理论上为零；当发电机内部故障时将有(9-7)式中—流向短路点的全部短路电路。将作为纵差保护的动作量，使保护灵敏动作。但是若被保护对象是变压器，它有n个绕组和一个公共铁心，即n条电路和一条公共磁路，如图9-2(a)所示，(9-8)由式（9-8）可知，对于变压器，，此即变压器纵差保护的不平衡电流。当变压器及其所在系统正常运行时，对于大型变压器，（为变压器额定电流），不会影响变压器正常保护的工作性能；当外部系统短路时，电压严重下降，更微不足道。在变压器铁心磁通密度B[单位T（特斯拉）,1T＝Wb/m2]过高的稳态励磁工况下，铁芯严重饱和，图9-2(b)中的励磁电抗Ｘe极度减小，励磁电流剧增。由于大型变压器工作磁密Bm已使铁芯接近饱和，而且现代变压器铁心的磁化特性非常“硬”，如图9-3所示，当过励磁（B≈1.3～1.4T）时，稳态励磁电流可能高达，对于最小动作电流为的变压器纵差保护，势必造成误动作。更为严重的是变压器在空载合闸时的暂态过励磁电流，其值可为的数倍到10倍以上，这样大的暂态励磁电流通常称为“励磁涌流”，它将流入纵差保护的差动回路，使不平衡电流进一步增大。三、变压器差动保护的不平衡电流及减小不平衡电流影响的方法不平衡电流产生的原因：（一）变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流（二）变压器的励磁涌流（三）计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流（四）两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流（五）由变压器带负荷调节分接头而产生的不平衡电流（一）变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流及其补偿措施以双绕组单相变压器为例，变压器常常采用Y，d11的接线方式，因此，其两侧电流的相位差30°。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，也会有一个差电流流入继电器。通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。在微机保护中，则可以利用软件把它校正过来。图9-4所示为Y，d11接线变压器的纵差动保护原理接线图．图中、、为星形侧的一次电流，、、为三角形侧的一次电流，后者超前30°，如图9-4（b）所示。现将星形侧的电流互感器也采用相应的三角形接线，则其副边输出电流为－、－、－它们刚好与、、同相位，如图9-4（c）所示。这样差动回路两侧的电流就是同相位的了。但当电流互感器采用上述连接方式以后，在互感器接成三角形侧的差动一臂中，电流又增大了倍。此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件是（9-9）目前在微机纵差保护中，普遍采用互感器二次均用星形接线方式，由软件实现移相和幅值调整，其理由是减少二次误接线的几率，易于实现一次断线和励磁涌流检测，还可兼供其他保护使用。（二）变压器的励磁涌流及鉴别方法变压器的励磁涌流具有以下特点：1.包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；2.包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；3.波形之间出现间断，在一个周期中间断角为α，涌流越大，间断角越小。根据以上特点，在变压器纵差保护中防止励磁涌流影响的方法有：采用具有速饱和铁芯的差动继电器；鉴别短路电流励磁涌流波形的差别；利用二次谐波制动等。所以目前我国广泛应用的防涌流误动的措施有4种，即（1）非周分量速饱和作用，使励磁涌流很少进入差动保护执行继电器（电流元件）。这是利用励磁涌流中经常含有很大的非周分量，使速饱和变流器（BCH）迅速饱和，从而难以传变暂态涌流。但空载合闸时的三相变压器往往有一相涌流（实为两相差流）对称于时间轴，即包含很少非周期（直流）分量，为此该原理的变压器差动保护的动作电流不得不一律提高到（1.3～1.5），势必降低变压器内部绕组短路的灵敏度；同时由于内部短路电流中也有非周分量，通过速饱和变流器时必然延缓差动保护的动作速度。这种方案普遍应用于电磁式变压器差动保护中。如图9-6所示，图中铁芯称为速饱和变流器。(2)利用励磁涌流中含有较大的偶次谐波，国内外广泛采用二次谐波制动原理。鉴于励磁涌流发生机理的复杂性，二次谐波分量的大小随机性很大。不同合闸条件下的二次谐波成分可以减小到10％以下。不同制造公司、不同差动保护装置，二次谐波制动比的定值非常分散，需要由制造厂提出的定值，然后由电力变压器的现场空载合闸，评定其保护装置在防涌流误动方面的能力。(3)利用励磁涌流一次波形的间断角特征。见图9-5。(4)利用励磁涌流前后半波波形的不对称，提出了波形对称原理。实际做法是作差动电流的导数，观察前、后半波对应点的和与差的比值，表示为││k（三）计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式（9-4），令变比差系数为根据式（9-3）可得（9-11）如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即，但方向相反.I称为区外故障时变压器的穿越电流。设为区外故障时最大的穿越电流，根据式（9-11）知，由电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为（9-12）减小区外故障时纵差保护的不平衡电流措施:令（9-13）由式（9-3）知，由计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流为。电流互感器变比选定后，就是一个常数，所以可以用将这个不平衡电流补偿掉。此时引入差动继电器的电流为对于数字式纵差动保护装置，只需按照式（9-14）进行简单的计算就能够实现补偿。对于电磁式纵差动保护装置，可以采用中间变流器进行补偿。如图9-7所示，在中间变流器TS的铁芯上绕有主绕组（匝数为Nd)，接入差动电流。另外还绕一个平衡绕组（匝数为Nb)和二次绕组（匝数为N2)。假设0，则可以将先经Nb后再和差接起来。这样，在正常运行和外部故障时，只要满足Nd（）＋＝0，即Nb/Nd＝，则中间变流器内总磁通等于零，在二次绕组N2上就没有感应电动势，从而没有电流流入继电器采用这种补偿方法时，由于匝数Nb不能平滑调节，选用的匝数与计算的匝数不可能完全一致，故仍有一部分不平衡电流流入继电器，但不平衡电流已大为减少。此时，式（9-12）中的计算式为＝┃┃（9-15）(四）两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器的型号不同，应采用电流互感器的同型系数为1。应尽可能使用型号、性能完全相同的D级电流互感器，使得两侧电流互感器的磁化曲线相同，以减小不平衡电流。减少电流互感器的二次负载并使各侧二次负载相同，能够减少铁芯的饱和程度，相应地也减少了不平衡电流。减小二次负载的方法，除了减小二次电缆的电阻外，可以增大电流互感器的变比。二次阻抗折算到一次侧的等效阻抗为，若采用二次侧额定电流为1A的电流互感器，等效阻抗只要额定电流为5A时的1/25。（五）由变压器带负荷调节分接头而产生的不平衡电流电力系统中经常采用带负荷调压的变压器，实际上就是改变变压器的变比nT，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为（9-16）式中，为由变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向进行调整，一般可取调整范围的一半。总括看来，上述（一）、（三）项不平衡电流可用适当地选择电流互感器二次线圈的接法和变比，以及采用平衡线圈的方法，使其降到最小。但（二）、（四）、（五）各项不平衡电流，实际上是不可能消除的。因此，变压器的纵差动保护必须躲开这些不平衡电流的影响。由于在满足选择性的同时，还要求保证内部故障时有足够的灵敏性，这就是构成变压器纵差动保护的主要困难。根据上述分析，在稳态情况下，为整定变压器纵差动保护所采用的最大不平衡电流可由下式确定（9-17）四、纵差保护的整定计算原则国内变压器纵差保护有比率制动式和标积制动式，有采用相电流的模拟式或数字式继电器，也有采用故障电流分量的数字式微机保护。它们的原理和整定计算方法原则可参考第八章的有关章节。这里仅以比率制动式变压器纵差保护为例，着重说明与发电机纵差保护在整定计算上的不同